基于單片機的溫度巡檢系統的設計-大學畢業(yè)論文畢業(yè)設計學位論文范文模板參考資料

1、目 錄摘 要3ABSTRACT4第一章 概述5課題的提出5溫度概況 5 溫度檢測儀表的現狀6 課題背景6選題意義7第二章 系統設計方案的研究82.1 系統性能要求 82.2 方案的比較分析 8測量部分8 多機遠程通信部分8第三章 系統的總體設計9框圖 9 總體框圖9 從機系統框圖1111 溫度信號的獲取與放大1112 信號處理和顯示14 聲光報警部分2021 電路設計21 多機系統21 主從式多機系統設計要點21 RS-485方式構成的多機通信原理23 3.5主控機部分26 電路設計26 所用器件介紹26 3.6 電源部分29多路開關的選擇29第四章 軟件部分31 3134第五章結論36參考文

2、獻38摘 要從機進行溫度采集，收集測量數據，并對測量結果（包括歷史數據）進行整理，顯示和打印。主控機與各從機之間能夠相互聯系、相互協調，從而達到了系統整體統一，和諧的控制效多路溫度檢測系統以8051單片機系統為核心，能對多點的溫度進行實時控制巡檢。各檢測單元（從機）能獨立完成各自功能，根據主控機的指令對溫度進行實時或定時采集，測量結果不僅能在本地儲存，顯示，而且可以利用單片機串行口，通過RS-485總線及通信協議將采集的數據傳送到主控機，進行進一步的分析，存檔，處理和研究。主控機負責控制指令發(fā)送，控制各個果。系統檢測溫度范圍為0-400，檢測分辨率，使用RS-485串行總線進行傳輸，MAX48

3、5驅動芯片進行電平轉換，傳送距離大于1200m，抗干擾能力強，各檢測器單元可顯示檢測的溫度，設計并制造了各檢測器及主控器所用的直流穩(wěn)壓電源。由單相220V交流電壓供電。關鍵詞：Pt100,多機遠程通信，8051單片機，儀器放大器620，模數轉換器，AbstractThe multichannel temperature examination system take 8,051 microcomputer systems as a core.It can inspect and controll the temperature of many spots. Each examination u

4、nit (the litter machine) can complete respective function independently. It can collect the temperature in a time according to the instruction of the major controlling machine. The measurement result can be stored and demonstrated in local place. Moreover,it can use the mouth of the microcomputer to

5、 transfer the data gathered to the major controlling machine through the RS-485 main line and the correspondence agreement .Then we can have the further analysis and the archive and processing and the research. The major controlling machine is responsible for transmissing the command, controlling th

6、e temperature gathering of the other machines.It can collect the surveying data.It can also reorganize and demonstration and then print the measurement result(including historical data).The major controlling machine can relate with other machine and coordinate with other machine. Thus it has achieve

7、d the harmonious effect of the whole system。This system has realized: 1 the temperature of the examination range from 0 to 400 . 2 examination resolution 0.1 . 3 using the RS-485 serial main line to transfer.The MAX485 make chip transform and the transmission distance is longger than 1200m, the anti

8、jamming ability is strong.4 Each detecting unit can demonstrate the temperature of the examination. 5 design and make the detectors and the current direct voltage-stabilized source that the major controlling machine uses。It comes from the single alternating voltage power of 220vKeywords：Pt100, micro

9、comupter8051, AD620,MAX187第一章 概述 課題的提出測量是運用專門的工具，根據物理、化學、生物等原理，通過試驗和計算找到被測量的量值。測量的目的就是盡可能準確的及時收集被測對象的狀態(tài)信息，以便對生產過程進行正確的控制。測量是人類人士和改造世界的一種不可缺少和替代的手段。歷史事實也已證明：科學的進步，生產的發(fā)展和進步是相互依賴、相互促進的。測量技術是一個國家的科學技術的水平的反應?？茖W和技術的發(fā)展是與測量水平并行進步，相互匹配的。事實上，可以說，評價一個國家的科技動態(tài)，最簡單快速的辦法就是評價這個國家的測量技術以及測量數據是如何被利用的 。在暖通空調專業(yè)中，供暖、空調、制

10、冷效果檢驗；建筑熱工特性的測量；新型建筑材料的特性檢驗；建筑節(jié)能的研究；空暖熱網，通風、空調系統、燃氣配管網、給排水網等系統的運行和特性研究中，都需要對溫度、壓力等參數進行測量。 這些領域的測量具有本身獨特的特點，例如在供暖網的系統中，它存在如下特點：（1）作用半徑大，測點分散。對于一個城市的集中供暖網的系統，它的覆蓋面廣，系統大，。這樣測量供暖網不通點的運行參數時，測點就相當分散。（2）管網運行參數需要分時記錄。要對管網的運行進行分析研究，管網的分時運行參數的測量和記錄非常重要。一般要求在管網運行的期間，按一定的順序檢測和記錄運行參數。此外還有節(jié)能建筑的效果檢驗，它需要對節(jié)能建筑和非節(jié)能建筑

11、的功耗進行比較，這同樣需要對建筑物內的房間進行分時的測量和記錄。但它也存在如同供暖效果檢驗的一些困難。另外一些別的專業(yè)的科學試驗中，溫度也是非常重要的一個測量參數。綜上所述，由于溫度的測量存在上述的問題，就需要由一種方便使用的測量儀表，能進行時時的檢測，能進行數據的記錄，長期自動運行不需要人為的干預。在這種情況下，本文設計了一種方便使用的數碼顯示溫度數據采集器（以下簡稱溫度數據采集器）分別采用Pt100鉑電阻和熱電偶作為溫度傳感器來采集數據。并運用三線制接法和冷端補償的方法用來分別消除熱電阻和熱電偶的測量誤差。 本溫度數據采集器在設計時，為了滿足實時檢測的要求，采用16路傳感器輪流檢測，從而實

12、現溫度巡檢的實時數據采集。微處理器采用穩(wěn)壓電源進行供電，這樣可以省去電池供電所帶來的如工作時間有限電壓不穩(wěn)定以及電壓的下降而影響整個系統的工作精度和穩(wěn)定性的問題。溫度概況溫度是一個很重要的物理參數，自然界中任何物理?；瘜W過程都緊密地與溫度相聯系。在工業(yè)生產過程中，溫度檢測和控制都直接和安全生產、產品質量生產效率、節(jié)約能源等重大技術經濟指標相聯系，因此在國民經濟的各個領域中都受到普遍重視。溫度檢測儀表作為溫度計量工具，因此也得到廣泛應用。隨著科學技術的發(fā)展，這類儀表的發(fā)展也日新月異。特別是隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，以單片機為主的嵌入式系統已經廣泛應用于工業(yè)控制領域，形成了智能化的測量控制儀器，從

13、而引起了儀器儀表結構的根本性變革。 溫度檢測儀表的現狀傳統的機械式檢測儀表在工礦企業(yè)之中已經有上百年的歷史了。一般均具有指示溫度的功能。由于測溫原理的不同，不同的儀表在記錄、遠傳等方面的性能差別很大。例如熱電阻溫度計，他的測溫范圍是200650,測量準確，可用于低溫或溫差測量，能夠指示報警、遠傳、控制變送，但維護工作量大而且不能記錄；光學溫度計測量范圍是3003200，攜帶使用方便，價格便宜，但是他只能目測，也就是說必須熟練才能測準，而且不能遠傳、控制變送等。 近年來由于微電子學的進步以及計算機應用的日益廣泛，智能化測量控制儀表已經取得了極大的進步。我國的單片機開發(fā)應用始于80年代，在這20

14、年中單片機應用縱向發(fā)展，技術日益成熟。以單片機為主體取代傳統儀器儀表的常規(guī)電子線路，可以輕易的將計算機技術與測量技術結合在一起。智能儀表在測量過程自動化、測量結果的數據處理已經功能的多樣化方面，都取得了巨大的進展。目前在研制高精度、高性能、多功能的測量控制儀表時，幾乎沒有不考慮采用單片機使之成為智能儀表的。從技術的背景來說，硬件集成電路的不斷發(fā)展和創(chuàng)新也是一個很重要的因素。各種集成電路芯片都在朝超大規(guī)模、全CMOS化的方向發(fā)展，從而使用戶具有了更大的選范圍，這類儀器能夠解決許多傳統儀器不能或不易解決的問題，同時還能簡化儀表電路，提高儀表的可靠性，降低儀表的成本以及加快新產品的開發(fā)速度。 智能化

15、控制儀表的整個工作過程都是在軟件的控制下自動完成的。裝在儀表內部的EPROM中的監(jiān)控程序由許多程序模塊組成，每易各模塊完成一種特定的功能，例如實現算法、接受并分析鍵盤輸入命令等。編制完善的監(jiān)控程序的某些模塊，能夠取代某些硬件電路的功能。這就為設計者擴展或改變儀表集體功能提供了方便。 智能控制儀表在引入單片機之后，已經降低了對某些硬件電路的要求，但是測試電路仍然占有很重要的位置，尤其是直接獲取被測信號額傳感器部分仍應給予充分的重視，有時提高整臺儀器性能的關鍵仍然是在于測試電路尤其是傳感器額改進?，F在傳感器也正在受著微電子技術的影響，不斷發(fā)展變化。傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向發(fā)展。

16、由許多的國家正致力于將微處理器與傳感器集成于一體，以構成超小型、廉價的測量儀器的主體。 與國內已經出現的各種各樣的智能化測量控制儀表相比，國際上更是品種繁多。國內的開發(fā)規(guī)模也相對較小，開發(fā)費用相對較高，與國際相比還存在很大的差距 課題背景溫度的精確測量是工業(yè)生產領域中的一個經典課題，在溫度檢測系統中，特別是智能儀表中，測量變換電路起著非常重要的作用。設計測量變換電路時，我們是從分析傳感器性能入手，通過適當的補償,綜合出一個較滿足期望指標的測量變換電路來。目前，廣泛使用的溫度傳感器有4類：熱電阻，熱電偶，熱敏電阻及集成電路溫度傳感器。本文介紹的檢測系統，采用的是熱電阻元件測溫。熱電阻具有精度高，

17、性能穩(wěn)定，互換性好，耐腐蝕及使用方便等一系列優(yōu)點，一直是工業(yè)測控系統中廣泛使用的一種比較理想的測溫元件，缺點是不能在高溫環(huán)境中使用1。使用熱電阻時，必須把它放在測溫現場，因此從測溫點到測量變換電路之間引線較長，即使不計熱噪電阻，導線自身電阻r也相當可觀(50100m時r410)。與熱電阻變化率相比，顯然，連線電阻對測量精度影響很大。當采用模擬開關作多點間的切換測溫時，由于模擬開關導通電阻有幾十歐姆幾百歐姆，并且通道間導通電阻相互差有幾歐姆幾十歐姆，這也給測量電路引入不可忽視的測量誤差，熱電阻數學模型中的二次非線性項對測量精度的影響更是不言而喻2。因此，只有消除上述誤差，或是控制在期望指標的允許

18、誤差內才能設計出一個比較完好實用的多點溫度檢測系統。選題意義隨著現代信息技術的飛速發(fā)展和傳統工業(yè)改造的逐步實現，溫度檢測和顯示系統已經應用于諸多領域。傳統的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件，熱敏電阻成本低，但需要后續(xù)信號處理電路，而且熱敏電阻的可靠性相對較差，測量溫度的準確度低，檢測系統的精度差。系統采用是熱電阻元件測溫，熱電阻具有精度高，性能穩(wěn)定，互換性好，耐腐蝕及使用方便等一系列優(yōu)點，一直是工業(yè)測控系統中廣泛使用的一種比較理想的測溫元件。能對多點的溫度進行實時控制巡檢，各檢測單元能獨立完成各自功能，根據主控機的指令對溫度進行實時或定時采集。能廣泛用也各種工業(yè)領域，如：自行車烤漆，糧食的儲存

19、等，所以具有實用的現實意義。第二章 系統設計方案的研究設計一個多路溫度監(jiān)測系統，要求檢測范圍為：0-400，檢測分辨率為：,各檢測器與主控器之間的距離100米,各顯示器單元可顯示檢測的溫度值，設計并制作個檢測器以及主控器所用的直流穩(wěn)壓電源，由單相220V交流電壓供電。經過改進的系統具有較好的快速型與較小的超調，以及數碼管顯示及測量精度提高等。 測量部分方案 = 1 * CHINESENUM3 一 采用熱敏電阻，可滿足4090的測量范圍，但熱敏電阻精度，重復性，可靠性都比較差,對于檢測小于1的溫度信號是不適用的。方案 = 2 * CHINESENUM3 二 采用溫度傳感器AD590。它具有較高的

20、精度和重復性，相比于熱敏電阻精度有所提高，但非線性誤差為，且檢測溫度范圍為：-55+155，不滿足題目要求。方案 = 3 * CHINESENUM3 三 采用Pt100。它的國際測溫標準為：-40+450，可選環(huán)境溫度為：-4070，精度為：，完全符合要求。且安裝尺寸小，可直接安裝在印刷電路板上，可焊SIP封裝3。方案四 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，其優(yōu)點是測量精度高、測量范圍廣，常用的熱電偶從-50至+1600均可連續(xù)測量。但需采用電路或軟件設計等修正方法來補償冷端溫度t00時對測溫的影響，使用不便。綜上比較分析，選擇方案 = 3 * CHINESENUM3 三，以便于更好的提高

21、測量精度。多機遠程通信部分方案 = 1 * CHINESENUM3 一 一般微機提供的標準接口為RS232，它的接口是一種用于近距離(最大3060米)、慢速度、點對點通訊的通訊協議，在RS232中一個信號只用到一條信號線，采取與地電壓參考的方式，因而在長距離傳輸后，發(fā)送端和接收端地電壓有出入，容易造成通訊出錯或速度降低。方案 = 2 * CHINESENUM3 二 RS485接口采用不同的方式：每個信號都采用雙絞線(兩根信號線)傳送，兩條線間的電壓差用于表示數字信號。例如把雙絞線中的一根標為A(正)，另一根標為B(負)，當A為正電壓(通常為+5V)，B為負電壓時(通常為0)，表示信號“1”；反

22、之，A為負電壓，B為正電壓時表示信號“0”。RS485/422允許通訊距離可達到1200米，采用合適的電路可達到的傳輸速率4。綜上比較分析，方案 = 2 * CHINESENUM3 二具有更高的精度和測量距離遠的優(yōu)勢，選擇方案 = 2 * CHINESENUM3 二。第三章 系統的設計3.1 框圖 總體框圖圖3.1 系統框圖系統硬件電路圖圖3.1為多點溫度檢測系統的整體框圖，主要由主機和從機兩部分構成，主機和從機由RS-485總線連接，主機外接鍵盤，顯示器，打印機和聲光報警裝置。從機系統框圖圖3.2 從機系統框圖圖3.2是從機系統框圖，溫度檢測點將采集到的電壓信號送到傳感器，經放大后送入A/D

23、轉換芯片轉化為數字量，然后送入單片機。3.2 從機部分溫度信號的獲取與放大(1) 電路的設計熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。所以通常將其放在電橋橋臂上，溫度變化時，熱電阻兩端的電壓信號被送到儀器放大器AD620的輸入端，經過儀器放大器放大后的電壓輸出送給A/D轉換芯片，從而把熱電阻的阻值轉換成數字量。電路原理圖如圖3.3所示。對信號放大，我們使用了低價格、高精度的儀器放大器AD620，它運用方便，可以通過外接電阻方便的進行各種增益（1-1000）的調整。其增益計算公式為：圖3.3 熱電阻測溫電路原理圖（2）溫度值計算過程：由于A/D檢測到的模擬電壓值

24、,計算可到的RT值，然后利用如下公式求出溫度值：其中，5實際測量中，為提高測量精度，我們分兩擋進行測量，當溫度處于0210時，繼電器J2所在橋臂電阻為，繼電器J1選擇AD620的反饋電阻R5，溫度處于195400時，控制繼電器J2將電阻R31串接上，并相應控制繼電器J1選擇R6做為AD620的反饋電阻，在切換橋臂電阻時同步改變放大倍數，從而達到自動改變量程6，提高測量精度的目的。（3） 所用器件的介紹Pt100: Pt100的國際測溫標準為：-40+450，可選環(huán)境溫度為：-4070，精度為：，完全符合要求。且安裝尺寸小，可直接安裝在印刷電路板上，可焊SIP封裝。模數轉換單元(1) 電路的設計

25、A/D轉換的好與壞直接關系到整個系統的精確度，題目要求分辨率達到0.1，由于本系統測量的是溫度信號，響應時間長，滯后大，不要求快速轉換，因此選用12位串行ADMAX186。MAX186是美國MAXIM公司設計的12位串行A/D轉換器，其內部集成了大帶寬跟蹤/保持電路和串行接口，轉換速率高且功耗低，特別適合對體積，功耗和精度有較高要求的便攜式智能化儀器儀表產品。MAX186具有12位的分辨力，其基準電壓為4.096V，故最小分辨電壓為，能分辨的最小溫度變化為，能達到題目的基本要求。為進一步提高精度，可以直接采用16位AD轉換器，也可以采用過采樣和求均值技術來提高測量分辨率7。系統采用了后一種方法

26、。所謂過采樣技術是指以高于奈奎斯特頻率的采樣頻率進行采樣，也就是說當ADC以高于系統所需采樣頻率fs的速率對信號采樣時，能增加有效位數。每增加一位分辨率，信號必須被以4倍的速率過采樣，即其中w希望增加的分辨率位數；fs初始采樣頻率要求；fos過采樣頻率。圖3.4 模數轉換電路原理圖假設每秒鐘輸出一個溫度值（1Hz）。為了將測量分辨率增加到16位，按下式計算過采樣頻率，即：因此，如果以fs=256Hz的采樣頻率對溫度信號進行采樣，則將在所要求的采樣周期內采集到足夠的樣本，對這些樣本求均值便可得到16位的輸出數據。為此，先累加（將256個連續(xù)樣本加在一起），然后將總和除以16。這樣得到的結果便是1

27、6位的有效數據，增加了4位有效數據。用過采樣和求均值技術后，新的AD分辨率計算如下：最小分辨電壓=這樣，可以測量的最小溫度變化為，就允許了以高于8的精度對溫度進行測量。另外，為了減小工頻信號引起的誤差，我們設計了在40ms（20ms的兩倍）時間內采樣，然后再取平均值，將工頻信號誤差濾除。（2） 所用器件的介紹MAX186：MAX186是美信公司推出的12位AD轉換芯片，內部含有采樣保持電路，單5 V操作電源，轉換速度為85s，具有片上4096 V參考電壓，模擬量輸入范圍為0VBEF。三線串行接口，兼容SPI，QSPI，MicroWire總線，設計精巧，工作速度快。小巧的封裝體積適合在傳感器中使

28、用。MAX186有8個引腳，引腳1：+5V電源。引腳2：模擬量輸入，范圍0VBEF VDD的基準電壓。引腳5：接地。引腳6：數據輸出。引腳7：片選。引腳8：時鐘，最高為5MHz.MAX186用采樣保持電路和逐位比較寄存器將輸入的模擬信號轉換為12位的數字信號，其采樣保持電路不需要外接電容。MAX186有2種操作模式：正常模式和休眠模式，將置為低電平進入休眠模式，這時的電流消耗降到10A以下。置為高電平或懸空進入正常操作模式。使用內參考時，在電源開啟后，經過20 ms后參考引腳的47F電容充電完成，可進行正常的轉換操作。A/D轉換的工作過程是：當為低電平時，在下降沿MAX186的TH電路進入保持

29、狀態(tài)，并開始轉換，8.5s后DOUT輸出為高電平作為轉換完成標志。這時可在SCLK端輸入一串脈沖將結果從DOUT端移出，讀入單片機中處理。數據讀取完成后將置為高電平。要注意的是：在置為低電平啟動A/D轉換后，檢測到DOUT有效（或者延時8.5s以上），才能發(fā)SCLK移位脈沖讀數據，SCLK至少為13個9。發(fā)完脈沖后應將置為高電平。信號處理和顯示單元電路的設計圖3.5 從機單片機部分原理圖信號處理及顯示單元采用8051單片機作為信息處理單元，它是從機的核心器件，對傳感器采集來的數字信號進行處理，轉換成相應的溫度信號，送液晶進行顯示。而且從機能夠通過通訊電路將測量數據上傳，接收主機數據（包括系統時

30、間信息、修正值和報警上下限）進行自身信息設置。 該系統用動態(tài)掃描的方式進行顯示。在硬件設計中將所有位數碼管的段選線并聯在一起，由位選線控制是哪一位數碼管有效。選亮數碼管采用動態(tài)掃描顯示。動態(tài)掃描顯示的原理是輪流向各位數碼管送出字形碼和相應的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數碼管同時都在顯示。動態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時應略小于靜態(tài)顯示電路中的。該方案與靜態(tài)顯示相比，硬件電路比較復雜，成本較高。,但一定要加上它，因為每一個段碼的發(fā)光二極管所能承受的最大電流為10mA-20mA。在電源電壓為5V時，如果不加限流電阻，則流過發(fā)光二極管的電流會有幾

31、百毫安，這樣很快會燒壞發(fā)光二極管。還需要說明的一點是，該系統選用共陽極數碼管，這樣在段碼控制端口（P0口）為低電平時數碼管導通點亮。為什么選用共陽極數碼管呢？因為51單片機中或者是其它的一些集成電路中，它的灌電流要大于其輸出電流，所以要選用共陽極數碼管，讓P0口以灌電流的方式提供驅動電流，以提高驅動能力。還需要特別說明的一點是，用端口不能直接去驅動每個數碼管的位選端口，因為51單片機的每個端口只能提供20mA的電流，如果去驅動的話，會很快燒壞單片機的端口。（2） 器件的介紹MCS-51：MCS-51單片機是美國INTE公司于1980年推出的產品，與MCS-48單片機相比，它的結構更先進，功能更

32、強，在原來的基礎上增加了更多的電路單元和指令,指令數達111條，MCS-51單片機可以算是相當成功的產品10，一直到現在，MCS-51系列或其兼容的單片機仍是應用的主流產品。MCS-51系列單片機主要包括8031、8051和8751等通用產品，其主要功能如下：8位CPU4kbytes 程序存儲器(ROM)128bytes的數據存儲器(RAM)32條I/O口線111條指令，大部分為單字節(jié)指令21個專用寄存器2個可編程定時/計數器5個中斷源，2個優(yōu)先級一個全雙工串行通信口外部數據存儲器尋址空間為64kB外部程序存儲器尋址空間為64kB邏輯操作位尋址功能雙列直插40PinDIP封裝11單一+5V電源

33、供電MCS-51以其典型的結構和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統，堪稱為一代“名機”，為以后的其它單片機的發(fā)展奠定了基礎。正因為其優(yōu)越的性能和完善的結構，導致后來的許多廠商多沿用或參考了其體系結構，有許多世界大的電氣商豐富和發(fā)展了MCS-51單片機，像PHILIPS，Dallas，ATMEL等著名的半導體公司都推出了兼容MCS-51的單片機產品，就連我國的臺灣WINBOND公司也發(fā)展了兼容C51(人們習慣將MCS-51簡稱C51,如果沒有特別聲明，二者同指MCS-51系列單片機)的單片品種。近年來C51獲得了飛速的發(fā)展，C51的發(fā)源公司INTEL由

34、于忙于開發(fā)PC及高端微處理器而無精力繼續(xù)發(fā)展自己的單片機，而由其它廠商將其發(fā)展，最典型的是PHILIPS和ATML公司，PHILIPS公司主要是改善其性能，在原來的基礎上發(fā)展了高速I/O口，A/D轉換器，PWM(脈寬調制)，WDT等增強功能，并在低電壓微功耗，擴展串行總線(I2C)和控制網絡總線(CAN)等功能加以完善12。a 輸入輸出口8051有4組8位I/O口：P0、P1、P2和P3口，P1、P2和P3為準雙向口，P0口則為雙向三態(tài)輸入輸出口，下面我們分別介紹這幾個口線：P0口和P2口：電路中包含一個數據輸出鎖存器和兩個三態(tài)數據輸入緩沖器，另外還有一個數據輸出的驅動和控制電路。這兩組口線用

35、來作為CPU與外部數據存儲器、外部程序存儲器和I/O擴展口，而不能象P1、P3直接用作輸出口。它們一起可以作為外部地址總線，P0口身兼兩職，既可作為地址總線，也可作為數據總線。P2口作為外部數據存儲器或程序存儲器的地址總線的高8位輸出口AB8-AB15，P0口由ALE選通作為地址總線的低8位輸出口AB0-AB7。外部的程序存儲器由PSEN信號選通，數據存儲器則由WR和RD讀寫信號選通，因為216=64k，所以8051最大可外接64kB的程序存儲器和數據存儲器。P1口：P1口為8位準雙向口，每一位均可單獨定義為輸入或輸出口，當作為輸入口時，1寫入鎖存器，Q(非)=0，T2截止，內上拉電阻將電位拉

36、至1，此時該口輸出為1，當0寫入鎖存器，Q(非)=1,T2導通，輸出則為0。作為輸入口時，鎖存器置1，Q(非)=0，T2截止，此時該位既可以把外部電路拉成低電平，也可由內部上拉電阻拉成高電平，正因為這個原因，所以P1口常稱為準雙向口。需要說明的是，作為輸入口使用時，有兩種情況，其一是：首先是讀鎖存器的內容，進行處理后再寫到鎖存器中，這種操作即讀修改寫操作，象JBC(邏輯判斷)、CPL(取反)、INC(遞增)、DEC(遞減)、ANL(與邏輯)和ORL(邏輯或)指令均屬于這類操作。其二是：讀P1口線狀態(tài)時，打開三態(tài)門G2,將外部狀態(tài)讀入CPU。b Mcs-51的串行通信口8051單片機引腳圖MCS

37、-51單片機內部有一個全雙工的串行通信口，即串行接收和發(fā)送緩沖器（SBUF），這兩個在物理上獨立的接收發(fā)送器，既可以接收數據也可以發(fā)送數據。但接收緩沖器只能讀出不能寫入，而發(fā)送緩沖器則只能寫入不能讀出，它們的地址為99H。這個通信口既可以用于網絡通信，亦可實現串行異步通信，還可以構成同步移位寄存器使用。如果在傳行口的輸入輸出引腳上加上電平轉換器，就可方便地構成標準的RS-232接口13。下面我們分別介紹。基本概念數據通信的傳輸方式有單工，半雙工，全雙工和多工方式。單工方式：數據僅按一個固定方向傳送。因而這種傳輸方式的用途有限，常用于串行口的打印數據傳輸與簡單系統間的數據采集。半雙工方式：數據可

38、實現雙向傳送，但不能同時進行，實際的應用采用某種協議實現收/發(fā)開關轉換。全雙工方式：允許雙方同時進行數據雙向傳送,但一般全雙工傳輸方式的線路和設備較復雜。多工方式：以上三種傳輸方式都是用同一線路傳輸一種頻率信號，為了充分地利用線路資源，可通過使用多路復用器或多路集線器，采用頻分，時分或碼分復用技術，即可實現在同一線路上資源共享功能，我們盛之為多工傳輸方式。串行數據通信兩種形式。異步通信在這種通信方式中，接收器和發(fā)送器有各自的時鐘，它們的工作是非同步的，異步通信用一幀來表示一個字符，其內容如下：一個起始位，僅接著是若干個數據位。同步通信同步通信格式中，發(fā)送器和接收器由同一個時鐘源控制，為了克服在

39、異步通信中，每傳輸一幀字符都必須加上起始位和停止位，占用了傳輸時間，在要求傳送數據量較大的場合，速度就慢得多。同步傳輸方式去掉了這些起始位和停止位，只在傳輸數據塊時先送出一個同步頭（字符）標志即可14。同步傳輸方式比異步傳輸方式速度快，這是它的優(yōu)勢。但同步傳輸方式也有其缺點，即它必須要用一個時鐘來協調收發(fā)器的工作，所以它的設備也較復雜。串行數據通信的傳輸速率。串行數據傳輸速率有兩個概念，即每秒轉送的位數bps（Bit per second）和每秒符號數波特率（Band rate），在具有調制解調器的通信中，波特率與調制速率有關。MCS-51的串行口和控制寄存器串行口控制寄存器MCS-51單片機

40、串行口寄存器結構如圖所示。SBUF為串行口的收發(fā)緩沖器，它是一個可尋址的專用寄存器，其中包含了接收器和發(fā)送器寄存器，可以實現全雙工通信。但這兩個寄存器具有同一地址（99H）。MCS-51的串行數據傳輸很簡單，只要向發(fā)送緩沖器寫入數據即可發(fā)送數據。而從接收緩沖器讀出數據即可接收數據15。此外，接收緩沖器前還加上一級輸入移位寄存器，MCS-51這種結構目的在于接收數據時避免發(fā)生數據幀重疊現象，以免出錯，部分文獻稱這種結構為雙緩沖器結構。而發(fā)送數據時就不需要這樣設置，因為發(fā)送時，CPU是主動的，不可能出現這種現象。圖3.6 Mcs-51串行口寄存器結構串行通信控制寄存器SCON控制寄存器是一個可尋址

41、的專用寄存器，用于串行數據的通信控制，單元地址是98H，其結構格式如：SCON寄存器結構SCOND7D6D5D4D3D2D1D0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI位地址9FH9EH8DH9CH9BH9AH99H98H下面我們對各控制位功能介紹如下：a SM0、SM1：串行口工作方式控制位。SM0，SM1工作方式方式0方式1方式211方式3b SM2：多機通信控制位。多機通信是工作于方式2和方式3，SM2位主要用于方式2和方式3。接收狀態(tài)，當串行口工作于方式2或3，以及SM2=1時，只有當接收到第9位數據（RB8）為1時，才把接收到的前8位數據送入SBUF，且置位RI發(fā)出中斷申請，否則

42、會將接受到的數據放棄16。當SM2=0時，就不管第位數據是0還是1，都難得數據送入SBUF，并發(fā)出中斷申請。工作于方式0時，SM2必須為0。c REN：允許接收位。REN用于控制數據接收的允許和禁止，REN=1時，允許接收，REN=0時，禁止接收。d TB8：發(fā)送接收數據位8。在方式2和方式3中，TB8是要發(fā)送的即第9位數據位。在多機通信中同樣亦要傳輸這一位，并且它代表傳輸的地址還是數據，TB8=0為數據，TB8=1時為地址。e RB8：接收數據位8。在方式2和方式3中，RB8存放接收到的第9位數據，用以識別接收到的數據特征。f TI：發(fā)送中斷標志位?？蓪ぶ窐酥疚?。方式0時，發(fā)送完第8位數據后

43、，由硬件置位，其它方式下，在發(fā)送或停止位之前由硬件置位，因此，TI=1表示幀發(fā)送結束，TI可由軟件清“0”。g RI：接收中斷標志位?？蓪ぶ窐酥疚?。接收完第8位數據后，該位由硬件置位，在其他工作方式下，該位由硬件置位，RI=1表示幀接收完成。電源管理寄存器PCONPCON主要是為CHMOS型單片機的電源控制而設置的專用寄存器，單元地址是87H，其結構格式如：PCON電源管理寄存器結構PCOND7D6D5D4D3D2D1D0位符號SMOD-GF1GF0PDIDL在CHMOS型單片機中，除SMOD位外，其他位均為虛設的，SMOD是串行口波特率倍增位，當SMOD=1時，串行口波特率加倍。系統復位默認

44、為SMOD=0。中斷允許寄存器IE17。ES為串行中斷允許控制位，ES=1允許串行中斷，ES=0，禁止串行中斷。IE中斷允許控制寄存器結構位符號EA-ESET1EX1ET0EX0位地址AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H聲光報警部分溫度檢測系統多有聲光報警功能，當檢測溫度超過上下限時，進行聲光提示。本系統在從機和主機部分均設計了報警電路。各從機的報警上下限由主機預置，從機實時監(jiān)測的過程中，一旦發(fā)現檢測溫度值連續(xù)超出閾值范圍，便啟動自身報警電路，同時向主控機發(fā)送報警信號18。報警電路原理如下所示： 電路設計由于單片機串行口輸出的是TTL電平，要想實現多機通訊，必須要將其轉換成常用的串

45、行通信總線標準接口電平，如RS-232或RS-485。其中RS-232適于短距離或帶調制解調器的通信場合，其邏輯電平與TTL、MOS邏輯電平完全不同，需要用MAX232驅動芯片進行電平轉換。其主要缺點是數據傳輸速率慢、傳送距離短（不超過30m），抗干擾能力差，不能滿足題目的要求。RS-485標準接口為差分驅動結構，它通過傳輸線驅動器把邏輯電平變換為電位差，完成信號的傳遞，具有傳輸速率快、傳送距離長（可傳1200m）、抗干擾能力強等優(yōu)點，允許一對雙絞線上一個發(fā)送器驅動多個負載設備。所以系統使用RS-485總線進行傳輸，采用SN75176驅動芯片進行電平轉換。圖3.8SN75176芯片及其邏輯關系

46、 多機系統多機系統是指由多臺計算機組成的系統。多機系統的結構有很多種，如果從系統中各臺計算機的關系上分，可分為緊密耦合型和松散耦合型兩類。在緊密耦合的多機系統中，各臺計算機之間的聯系緊密，一般情況下他們通過總線(包括公共存儲器)進行頻繁的信息交換，并在一個總的操作系統分布式操作系統的控制下協調地工作。在松散耦合的多機系統中，計算機之間的聯系較少，每一臺計算機都有獨立的存貯器，并在各自的操作系統下獨立地工作。計算機之間通過通訊來協同工作。這類多機系統又可分為分布式和主從式兩類19。分布式多機系統中，各臺計算機具有平等的地位和相似的結構。主從式多機系統中，有一臺功能較強的主計算機和若干臺結構相似的

47、從計算機。我們采用主從式系統完成本設計。在主從式多機系統中，計算機之間的通信由主機控制。主機主動和從機聯絡通信，向從機發(fā)出各種命令，如設計從機的工作參數，修改從機的實時時鐘，詢問從機的狀態(tài)，收集從機的數據等。而從機不能主動向主機或其他從機進行通訊聯系，他只有在主機向它發(fā)出命令時才做出相應，向主機回送信息。因此主計算機處于主導地位，而從計算機處于處于從屬地位20。在主從式多機系統中，主機的功能往往是監(jiān)視各從機的工作，定時收集各個從機的實時數據信息并將收集到的數據信息進行處理、存檔、格式化顯示和打印等。同時，操作人員通過人-機通訊，在主機上查詢從機的狀態(tài)，診斷系統中各個從機是否出現故障，以便系統維

48、護。從機的功能一般是進行現場數據信息的采集、計算和對現場的控制，從機自動完成對各要素的定時采樣和計算，在接到主機的命令時將結果送給主機。主從式多機系統設計要點在設計主從式多機系統時，除了掌握單片及應用系統的設計方法外，還必須注意以下幾個方面：機和從機的功能劃分在設計一個多機系統時，應著眼于整個系統的功能，設法提高整個系統的性能價格比，因此合理規(guī)定主機和從機的功能是十分重要的。系統的有些功能，例如數據的計算分析，可以由各個從機來完成，只把結果送給主機，也可以把原始數據直接送給主機，由主機處理。這兩種方法對中央處理機的工作時間、存儲器的容量以及主機和從機之間需傳送的信息量會產生影響。在確定主從機功

49、能的同時，應從系統的實時行要求，主機和從機的工作量，主從機之間的距離和現場操作需求來考慮。通訊方式多機系統和單機系統在硬件上的最大不同是需要通訊口。通訊可采用各種方法來實現，對于距離在幾米以上的系統，一般均采用串行通訊。它又分為同步和異步兩種方式，前者速度快，通訊距離較近，后者速度慢，但通訊距離遠。一般的工業(yè)控制和數據采集系統，在數據傳輸量不大的情況下，采用異步方式比較方便21。通訊的物理物理媒介也有許多種，如采用無線電通訊或 線通訊，這是一般采用異步方式，并應加入調制解調器，它的通訊距離最遠可達幾十公里以上；如果采用電纜通訊，可采用RS 232或RS-422、RS-456等方式，后二者可采用

50、一般的雙絞線進行通訊，具有傳輸距離遠、抗干擾能力強等優(yōu)點，在通訊距離較遠時，應采用 RS-485等接口方式主機選擇多機系統的主機應根據應用要求和現有條件來選擇。如果該系統需要有外部存儲設備以存儲各種數據時，應采用由磁盤驅動器地主機，特別是在存儲數據量較大時，應采用由硬盤的主機。如果主機需執(zhí)行較多的實時控制功能，則應選擇可配備實時操作系統的主機。一般情況下，可采用等通用的個人計算機。由于一般的個人計算機配有串行接口，如果主從機采用通訊時，應該再加入通訊處理機，它與主機用相連，與各從機用同步通訊方式相連。通訊規(guī)程選擇這里的通訊規(guī)程主要是指主機之間的通訊約定，它包括從機尋址方式、通訊檢驗及通訊應答等

51、方式等。一般主機和多臺從機通訊時，只使用一套公共的的通訊線路，主機應能和指定的任何一個從機通訊，也能向全部從機發(fā)命令。因為一臺主機只能和一臺從機通訊，所以有一個怎樣尋址從機的問題。對MCS-51單片機，它們的串行口由主從機通訊方式，允許發(fā)送地址或數據。但是如果通訊距離較遠或現場有干擾時，就不宜采用此方法。因為MCS-51等的主從機通訊方式中，地址與數據的區(qū)別只是發(fā)送的最后一位不同，如果有干擾改變了了這位的狀態(tài)，會打亂整個系統的運行22。這是可采用在命令中增加幾位地址地方法。在有干擾時，主從機通訊應加入檢驗，對異步通訊，可采用字符或字節(jié)的奇偶校驗加上一幀信息的累加和校驗。從機設計方法從機是一個獨

52、立地控制器或數據采集裝置，它的設計方法基本上與一般的單片機系統相同，只是需增加通訊口硬件和通訊處理軟件。為了減少通訊量，從機常用于完成對一個子系統的控制或數據采集。每臺從機所需完成地功能一般比較多，而且是綜合性地，這是它的結構比較復雜，再加上通訊處理軟件需與控制或數據采集并行進行，所以在多機系統的從機中，應該配備實時多任務操作系統。 RS485方式構成的多機通信原理在由單片機構成的多機串行通信系統中，一般采用主從式結構：從機不主動發(fā)送命令或數據，一切都由主機控制。并且在一個多機通信系統中，只有一臺單機作為主機，各臺從機之間不能相互通訊，即使有信息交換也必須通過主機轉發(fā)。采用RS485構成的多機

53、通訊原理框圖，如圖所示。圖3.9采用RS485構成的多機通訊原理框圖在總線末端接一個匹配電阻，吸收總線上的反射信號，保證正常傳輸信號干凈，無毛刺。匹配電阻的取值應該與總線的特性阻抗相當。當總線上沒有信號傳輸時，總線處于懸浮狀態(tài)，容易受干擾信號的影響。將總線上差分信號的正端A+和+5電源間接一個10K的電阻；正端A+和負端B-間接一個10K的電阻；負端B-和地間接一個10K的電阻，形成一個電阻網絡。當總線上沒有信號傳輸時，正端A+的電平大約為3.2V，負端B-的電平大約為1.6V，即使有干擾信號，卻很難產生串行通信的起始信號0，從而增加了總線抗干擾的能力。通信規(guī)則由于RS485通訊是一種半雙工通

54、訊，發(fā)送和接收共用同一物理信道。在任意時刻只允許一臺單機處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應答的單機必須在偵聽到總線上呼叫信號已經發(fā)送完畢，并且沒有其它單機發(fā)出應答信號的情況下，才能應答。半雙工通訊對主機和從機的發(fā)送和接收時序有嚴格的要求。如果在時序上配合不好，就會發(fā)生總線沖突，使整個系統的通訊癱瘓，無法正常工作。要做到總線上的設備在時序上的嚴格配合，必須要遵從以下幾項原則：復位時，主從機都應該處于接收狀態(tài)。SN75176芯片的發(fā)送和接收功能轉換是由芯片的 RE* ，DE端控制的。RE*=1，DE=1時，SN75176發(fā)送狀態(tài)；RE*=0，DE=0時，SN75176處于接收狀態(tài)。一般使用單片機的一根口線連

55、接RE*，DE端。在上電復位時，由于硬件電路穩(wěn)定需要一定的時間，并且單片機各端口復位后處于高電平狀態(tài)，這樣就會使總線上各個分機處于發(fā)送狀態(tài)，加上上電時各電路的不穩(wěn)定，可能向總線發(fā)送信息。因此，如果用一根口線作發(fā)送和接收控制信號，應該將口線反向后接入SN75176的控制端，使上電時SN75176處于接收狀態(tài)。另外，在主從機軟件上也應附加若干處理措施，如：上電時或正式通訊之前，對串行口做幾次空操作，清除端口的非法數據和命令?？刂贫薘E*，DE的信號的有效脈寬應該大于發(fā)送或接收一幀信號的寬度。在RS232，RS422等全雙工通訊過程中，發(fā)送和接收信號分別在不同的物理鏈路上傳輸，發(fā)送端始終為發(fā)送端，接

56、收端始終為接收端，不存在發(fā)送、接收控制信號切換問題。在RS485半雙工通訊中，由于SN75176的發(fā)送和接收都由同一器件完成，并且發(fā)送和接收使用同一物理鏈路，必須對控制信號進行切換?？刂菩盘柡螘r為高電平，何時為低電平，一般以單片機的TI，RI信號作參考。發(fā)送時，檢測TI是否建立起來，當TI為高電平后關閉發(fā)送功能轉為接收功能。接收時，檢測RI是否建立起來，當RI為高電平后，接收完畢，又可以轉為發(fā)送23。在理論上雖然行得通，但在實際聯調中卻出現傳輸數據時對時錯的現象。根據查證有關資料，并在聯調中借助存儲示波器反復測試，才發(fā)現一個值得注意的問題，我們可以查看單片機的時序：圖3.10串行口模式3時序圖

57、單片機在串行口發(fā)送數據時，只要將8位數據位傳送完畢，TI標志即建立，但此時應發(fā)送的第九位數據位（若發(fā)送地址幀時）和停止位尚未發(fā)出。如果在這是關閉發(fā)送控制，勢必造成發(fā)送幀數據不完整。如果單片機多機通訊采用較高的波特率，幾條操作指令的延時就可能超過2位（或1位）數據的發(fā)送時間，問題或許不會出現。但是如果采用較低波特率，如9600，發(fā)送一位數據需100s左右，單靠幾條操作指令的延時遠遠不夠，問題就明顯地暴露出來。接收數據時也同樣如此，單片機在接收完8個數據位后就建立起RI信號，但此時還未接收到第九位數據位（若接收地址幀時）和停止位。所以，接收端必須延時大于2位數據位的時間（1位數據位時間=1/波特率

58、），再作應答，否則會發(fā)生總線沖突。總線上所連接的各單機的發(fā)送控制信號在時序上完全隔開。為了保證發(fā)送和接收信號的完整和正確，避免總線上信號的碰撞，對總線的使用權必須進行分配才能避免競爭，連接到總線上的單機，其發(fā)送控制信號在時間上要完全隔離。總之，發(fā)送和接收控制信號應該足夠寬，以保證完整地接收一幀數據，任意兩個單機的發(fā)送控制信號在時間上完全分開，避免總線爭端。主控機部分 電路設計主控機主要負責控制從機，包括設置從機信息和收集從機檢測信號，然后將收集到的數據進行存儲、分析、顯示、打印，并能根據用戶設置的報警閾值進行聲光報警。這部分的硬件電路設計除了鍵盤、液晶、打印機等常規(guī)外設外，增加了一片24C04

59、用來保存溫度數據，另外，增加了一片日歷時鐘芯片PCF8563。24C04是基于I2C總線的串行E2PROM，存儲容量512個字節(jié)，它占用單片機資源很少，僅占用了兩根I/O線，數據一旦寫入可保存100年，避免了普通RAM掉電保護的麻煩，非常適合于各類儀器儀表和控制裝置的參數保存。主控機每個整點收集一次數據，并將數據保存到E2PROM。每個溫度數據占用2個字節(jié)，這樣，我們設計共保存24組歷史數據，占用個字節(jié)。當存滿24組數據后，整點再次接收數據時，將最早保存的數據刪除，其他數據依次前移為新數據空出位置。PCF8563是低功耗的CMOS實時時鐘/日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電

60、檢測器，所有的地址和數據通過I2C總線串行傳遞24。這兩部分電路設計原理圖如下：圖3.11 主機24C04與8563部分電路原理圖 所用器件介紹PCF8563：PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工業(yè)級內含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。PCF8563的多功能報警功能，定時功能，時鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復雜的定時服務，甚至為單片機提供看門狗功能。內部時鐘電路，內部振蕩電路，內部低電壓檢測電路（1.0V）以及兩線制I2C總線通訊方式，不但使外圍電路極其簡潔，而且也增加了芯片的可靠性。同時每次寫數據后，內嵌的字地址寄存器會自動產生增量。當然作為時鐘芯片